DE19715078A1

DE19715078A1 - Verfahren zur kapazitiven Weg- und Winkelmessung

Info

Publication number: DE19715078A1
Application number: DE19715078A
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Dipl Ing Beck; Hans-Juergen Dr Will; Mirko Dipl Ing Lawin
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 1997-04-11
Filing date: 1997-04-11
Publication date: 1998-10-15

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kapazitiven Weg- und Winkelmes sung, wobei an einem beweglichen Maßstab Elektrodenflächen angebracht sind, die gemeinsam mit auf einer feststehenden Platte angeordneten Elektrodenflächen periodische Kondensatorstrukturen bilden, deren Teilka pazitäten sich mit der Bewegung des Maßstabes ändern.

Die Erfindung kann vorzugsweise zur inkrementalen Längenmessung genutzt werden. Durch Kopplung von mindestens zwei erfindungsgemäßen Anordnungen zu einem System ist auch eine Anwendung für Absolutmes sungen möglich.

Im Stand der Technik sind Verfahren und Anordnungen bekannt, die den zu messenden Bereich kapazitiv strukturieren und mit verschiedenen Verfahren eine Beziehung zwischen der Kapazitäts- und der Weg- bzw. Winkeländerung bei Bewegung des Maßstabes herstellen.

Dies geschieht beispielsweise nach DE 34 38 234 A1 durch Verwendung der sich ändernden Kapazitäten als kapazitive Spannungsteiler, die hochfre quente Signale modulieren oder nach DE 33 40 782 A1 als Blindwiderstän de, die die Phasenlage der elektrischen Signale ändern.

Im allgemeinen durchlaufen hochfrequente Signale viele Stufen (Modulati on, Mischung an der kapazitiven Anordnung, Demodulation, Bewertung) bis eine Maßinformation vorliegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß bei der Verschiebung eines Maßstabes bezüglich einer feststehenden Platte auf einfache Weise elektri sche Signale entstehen, die mit hoher Genauigkeit ein Maß für die Verschiebung des Maßstabes darstellen.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß die kapazi tiven Strukturen der Meßanordnung als Teil eines elektronischen Differen zierers geschaltet werden. In die Elektroden der feststehenden Platte werden unmodulierte Signale unterschiedlicher Phasenlage eingespeist, deren Differentiation und Addition an der kapazitiven Anordnung Signale liefert, die nach einer Bewertung eine quantitative Aussage zur Verschie bung des Maßstabs ergeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch den Vorteil aus, daß unmodulierte Signale, vorzugsweise Sinus- und Dreiecksignale, die nur wenige Stufen bis zur quantitativen Bewertung durchlaufen, verwendet werden. Der Einfluß von Bauelementetoleranzen wird damit verringert.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß nur das Verhältnis der Teilkapa zitäten zueinander, nicht aber deren absoluter Wert Einfluß auf den Meßwert hat.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 die Anordnung der Elektroden bei einer erfindungsgemäßen Meßanordnung,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild zur Einordnung der Meßanordnung in die elektronische Differenzierschaltung und

Fig. 3 eine verbesserte Elektrodenanordnung zur Erzeugung mehrerer Signale für eine verbesserte Meßwertkorrektur und zur Richtungserken nung.

In Fig. 1 ist eine mögliche Elektrodenanordnung dargestellt. Die feste Platte 1 trägt die abwechselnd angeordneten Elektroden E_1n und E_2n, die in der dargestellten Weise zu den Versorgungselektroden E₁ und E₂ verbunden werden. Diese Elektroden bilden mit den Elektroden E_3nn bzw. E_4n des beweglichen Maßstabs 2, der sich in geringem Abstand zu der festen Platte in der angegebenen Richtung x bewegen läßt, Kondensatoren, deren Kapazität sich bei Bewegung des Maßstabes periodisch ändert. Wenn z. B. der aus E₁ und E₃ gebildete Kondensator C₁ größer wird, wird der aus E₂ und E₃ gebildete Kondensator C₂ kleiner und umgekehrt. Der Raster der Elektroden ist entsprechend der gewünschten Auflösung zu wählen. In Fig. 1 sind die Elektroden E_3n und E_4n zu den Empfangselektroden E₃ und E₄ verbunden, was für die Darstellung des Prinzips günstig ist. Um Elektrodenabführungen vom beweglichen Maßstab 2 zu vermeiden, ist es jedoch zweckmäßig, die Elektroden E_3n und E_4n des beweglichen Maßstabes 2 zu vergrößern und die Verbindung über zusätzlich auf der festen Platte 1 angeordnete Sammelelektroden zu realisieren, wie das auch in den oben zitierten Schriften erfolgt.

In Fig. 2 ist die Zusammenschaltung der oben beschriebenen variablen Kondensatoren mit Operationsverstärkern zu Differenzierern OV₁ und OV₂ dargestellt. An die Elektroden E₁ und E₂ sind die im Generator 3 erzeugten Wechselsignale e₁ und e₂, die in einer festen Phasenbeziehung zueinander stehen (zweckmäßigerweise 90°), angeschlossen.

An den Ausgängen O₁ bzw. O₂ der Differenzierer OV₁ bzw. OV₂ erscheint eine entsprechend der Größe der Teilkondensatoren und der Differentita tion der Eingangssignale gebildete Spannung nach der Beziehung

e_o = -R_o.(C₁.de₁/dt + C₂.de₂/dt).

Durch geeignete Wahl der Ansteuersignale kann man Ausgangssignale erreichen, die eine einfache Bewertung erlauben.

Bei Ansteuerung der Versorgungselektroden mit Sinus/Cosinus-Signalen erscheinen an den Ausgängen der Differenzierer Sinus-Signale, deren Phasenlage vom Verhältnis der Teilkapazitäten C₁ und C₂ und damit von der Position des Maßstabes abhängig ist und somit eine Interpolation inner halb des Rasters erlaubt.

Erfolgt die Ansteuerung durch Dreieck-Signale, erscheinen an den Ausgän gen Treppenkurven, die nach entsprechender mathematischer Behandlung über die Phasenverschiebung der Grundschwingung die Position des Maßstabes liefern. Da die Frequenz der Grundschwingung bekannt ist, können die Treppenkurven auch durch Filterschaltungen ausgewertet werden.

Bei der im Beispiel gewählten gleichmäßigen Anordnung der Elektroden E₃ und E₄ erhält man zwei Ausgangssignale die über gewisse Symmetrieeigen schaften verfügen. Zur Maßbestimmung wäre die Auswertung eines Signa les ausreichend. Durch gemeinsame Auswertung beider Signale erhält man verbesserte Meßwerte (Ausgleich von Maßstabsungenauigkeiten und Verunreinigungen des Maßstabes).

Durch zusätzliche Elektroden E₅ und E₆, die zu E₃ und E₄ versetzt angeord net sind (Fig. 3), können weitere Signale erzeugt werden, die zur Richtungserkennung (Bewegungsrichtung des Maßstabes) und zu einer verbesserten Meßwertkorrektur genutzt werden können (Ausgleich von Verkippungen des Maßstabes bezüglich der festen Platte).

Der Grad der möglichen Auflösung der Maßstabsposition innerhalb eines Rasters der Kondensatorstruktur wird wesentlich bestimmt von der Präzi sion des Maßstabes 2 und der Ansteuersignale.

Wenn die gewünschte Meßlänge das Rastermaß der Kondensatorstruktur übersteigt, sind die Perioden des Meßsignales auszuwerten (inkrementale Messung).

Zur Realisierung einer Absolutmessung sind auf dem Maßstab weitere Kondensatorstrukturen mit entsprechend größerem Raster so anzuordnen, daß sich die Meßlänge als eine Kombination der Meßergebnisse der einzel nen Strukturen ergibt.

Claims

1. Verfahren zur kapazitiven Weg- und Winkelmessung, wobei an einem beweglichen Maßstab Elektrodenflächen angebracht sind, die gemeinsam mit auf einer feststehenden Platte angeordneten Elektrodenflächen periodi sche Kondensatorstrukturen bilden, deren Teilkapazitäten sich mit der Bewegung des Maßstabes ändern, dadurch gekennzeichnet, daß minde stens zwei Teilkapazitäten als funktionsbestimmendes Element eines elektronischen Differenzierers geschaltet werden, die Teilkapazitäten mit Wechselsignalen unterschiedlicher Phasenlage gespeist werden und der Differenzierer ein Signal abgibt, das im wesentlichen vom Verhältnis der Teilkapazitäten abhängt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen lage des Ausgangssignals des Differenzierers als Maß für die Verschiebung des Maßstabes verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Differenzierer eingesetzt wird, der ein zum Signal des ersten Diffe renzierers ähnliches zweites Signal liefert.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch weitere Kondenatorflächen und weitere Differenzierer zusätzliche Signale gewonnen werden, die zur Erkennung der Bewegungsrichtung des Maßstabs und für verbesserte Meßwertkorrek turverfahren genutzt werden können.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung Sinus- oder Dreiecksignale verwen det werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Spuren mit Kondensatorstrukturen unterschiedlichen Rasters kombiniert werden.